中文摘要：

在细观尺度上，按蒙特卡罗方法随机生成骨料单元，采用Voronoi网格划分水泥砂浆单元，用零厚度界面单元构建界面过渡区；结合三相复合板一维热湿耦合传导试验和理论反演，确定界面过渡区的几何物理特性表征；建立水泥砂浆、界面过渡区、骨料组成的多相复合材料在时变环境作用下内部温湿度场的理论模型；引入Papadakis混凝土碳化基本理论框架，建立能考虑热-湿-二氧化碳气体耦合传输及碳化反应过程的理论模型和数值模拟系统；并用热湿耦合传输试验、时变人工环境作用下碳化试验进行验证；利用该模型探讨热湿耦合作用对混凝土碳化的影响。模型能从细观层次上对宏观现象作机理性分析，是全寿命设计的基础理论；能更准确预测和评估一般大气环境中时变温度和湿度作用下的混凝土碳化深度，为设计经济耐久的新建结构和正确评估既有结构耐久性能提供一个理论依据。

结论摘要：

通过本项目研究，发表SCI论文2篇，国际会议论文3篇，培养硕士生1名，协助培养博士生1名（目前在美国科罗拉多联合培养），参加国际学术会议2个（3人次），完成了课题任务。混凝土孔隙中水分传输驱动力为液态水的毛细孔压力梯度或气态水的水蒸气分压梯度，课题基于气液平衡的开尔文方程，建立孔隙中水分传输方程。假设每一种孔的孔隙率与孔半径的关系均符合Rayleigh-Ritz模型，基于等温吸附曲线预测混凝土的孔径分布。由孔隙中水分传输方程及孔隙分布积分建立基于孔隙结构的混凝土水分传输方程，其中考虑了热湿的耦合传输。进行了水分传输试验验证了模型的适用性。试验和理论分析表明在等温干燥过程中微裂缝对干燥速率的影响较大；在湿润条件下，大毛细孔的增多会导致湿润前沿向内移动速度的增大。基于二维上骨料的累计分布函数获得各骨料颗粒粒径，随机投放椭圆形或多边形骨料，采用Voronoi划分方法对水泥砂浆相进行离散化，在Papadakis碳化理论基础上建立细观尺度上不考虑界面过渡区的混凝土碳化随机模型。对1000个含有椭圆形或多边形粗骨料的混凝土截面的骨料分布密度进行分析表明，骨料形状对碳化深度平均值的影响并不是很明显，而粗骨料的随机分布对碳化深度的变异性有较大影响。制作复合构造试件，其截面骨料面积保持恒定，变化骨料边界长度，变化骨料表面粗糙度。对三种试件分别进行不碳化和碳化后的水蒸气渗透试验，试验结果表明渗透系数首先随着截面骨料周长的增大而增大；随后渗透系数随着截面骨料周长的增大反而呈现下降的趋势；光滑骨料试件的渗透系数较大。在粗骨料和砂浆之间的创建无厚度的界面过渡区单元，认为CO2在界面过渡区单元沿着骨料表面的纵向方向和垂直于骨料或砂浆面的横向方向传输介质，纵向方向的传输路径为各ITZ单元的形心之间的连线，假定粗骨料为完全无孔隙固体只需考虑与相邻砂浆单元的传输，从而在基于孔隙结构的混凝土传输和碳化随机模型基础上建立带界面过渡区的混凝土碳化随机模型。理论模型分析表明碳化深度随着ITZ与砂浆CO2扩散系数之比DITZ/DM的增大而增大；碳化深度随着ITZ厚度增大而增大。